Слайд 2 Трёхфазный асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором

Принцип действия асинхронных двигателей основан на двух явлениях: образовании рабочего вращающегося магнитного поля токами в обмотке статора и воздействии этого поля на токи, индуцированные в короткозамкнутых витках ротора.

АД относится к электромашинам переменного тока и служит для взаимного преобразования электроэнергии переменного тока в механическую энергию и наоборот.

АД состоит из статора (собран из тонких листов электротехнической стали, изолированных друг от друга с целью понижения потерь мощности на гистерезис и вихревые токи), предназначенного для создания вращающего магнитного поля и ротора, вращающегося в магнитном поле. В статоре симметрично (в пазах сердечника статора уложена трёхфазная обмотка, состоящая из 3х отдельных обмоток) по окружности расположены три обмотки W_A W_B W_C, соединенные в треугольник или звезду. При подключении трёхфазного напряжения, каждая из обмоток создаёт синусоидальный поток Ф_А Ф_В Ф_С, которые смещены друг относительно друга на 120º. В каждый момент времени суммарный поток имеет одну и ту же величину, но меняет направление с постоянной скоростью вращения.

Слайд 3

Условия образования одной волны результирующего трех- и двухфазными обмотками аналогичны. Для трехфазных обмоток это следующие условия:

1. смещение катушек разных фаз на

2. сдвиг токов по фазе на

3. равенство действующих фазных МДС

Слайд 4

Устройство асинхронного двигателя

Асинхронный двигатель состоит из статора, ротора и подшипниковых щи­тов . Статор – неподвижная часть двигателя – имеет цилиндриче­скую форму. Он состоит из корпуса 1, сердечника 2 и обмотки 3. Корпус литой стальной или чугунный. Магнитопровод статора собирается из тонких листов электротехнической стали. На внутренней поверхности он имеет пазы, в кото­рые укладывается обмотка статора. Ротор асинхронного двигателя – вращаю­щаяся часть – состоит из стального вала 4, магнитопровода 5, набранного из листов электротехнической стали с выштампованными пазами. Обмотка ротора бывает короткозамкнутой или фазной. Короткозамкнутая обмотка выполняется из алюминиевых или медных стержней, замкнутых с обоих торцов ротора нако­ротко. Фазный ротор имеет трехфазную обмотку, соединенную в звезду. Вы­воды обмотки подсоединены к кольцам на валу и с помощью щеток подсоеди­няются к реостату или другому устройству. Вращающийся ротор размещают на общем валу cо статором. Вал вращается в подшипниковых щитах. Соединение обмотки статора осуществляется в коробке, в которую выведены начала фаз С₁, С₂, С₃ и концы фаз С₄, С₅, С₆. На рис показаны схема расположения этих выводов (а) и способы соединения их между собой при соединении фазных обмоток звездой (б) и треугольником (в).

Если в паспорте двигателя указаны два напряжения, напри­мер, 380/220, то большему напря­жению соответствует соединение звездой, более меньшему – тре­угольником. В обоих случаях на­пряжение на фазе двигателя равно 220 В.

а) б) в)

Слайд 5

Принцип действия асинхронного двигателя

Статор машины собирают, как и у трансформатора, из штампованных листов электротехнической стали. По внутренней кромке листов вырублены пазы, которые создают в статоре каналы для укладки проводников обмотки.

Пакет листов статора запрессован в корпус-обо­лочку, который имеет соединительные элементы (лапы, торцовый фла­нец и т. д.) для крепления к неподвижному жесткому основанию. Об­мотку статора выполняют в виде одно- или многовитковых катушек, имеющих, как правило, одинаковые размеры. Каждая фаза статорной обмотки состоит из нескольких последовательно включенных катушек

Слайд 6

Короткозамкнутую обмотку типа «беличье колесо» изготовляют, заливая в пазы ротора алюминий. Стержни обмотки, имеющие удли­ненную форму, замкнуты торцовыми кольцами, которые отливаются одновременно со стержнями. Кроме того, алюминиевая отливка имеет лопасти, обеспечивающие вентиляцию машины.

Слайд 7

У двигателя с контактными кольцами к обмотке ротора присоеди­няют посредством щеток трехфазный реостат с целью улучшения пус­ковых характеристик машины. После окончания пуска кольца замы­кают накоротко. Трехфазную обмотку выполняют из изолированного провода, а кольца изолируют от вала двигателя. Трехфазная обмотка ротора соединяется по схеме звезда.

Слайд 8

Скольжение в асинхронном двигателе

Трехфазная обмотка статора создает магнитное поле, вращающееся со ско­ростью

.

Электромагнитное взаимодействие между статором и ротором возникает только при неравенстве скорости поля статора и скорости вращения ротора.

Отношение

(11.4)

называется скольжением асинхронной машины.

n – частота вращения ротора n1 – частота вращения магнитного поля (синхронная частота), p – число пар полюсов.

В зависимости от соотношения иразличают три режима работы: в режиме двигателя; в ре­жиме генератора; в режиме электромагнитного тормоза.

Слайд 9

Режимы работы асинхронного двигателя.

Режим двигателя

На рисунке на предыдущем слайде пока­зано магнитное поле статора, вращающееся по часо­вой стрелке. При линии поля статора перемещаются относительно ротора также по часовой стрелке со скоростью. Согласно правилу правой руки ЭДС в проводниках ротора под северным полюсом направлены к нам, в проводниках под южным полюсом – от нас. То же направление имеют и активные составляю­щие токов в проводниках. Электромагнитные силы взаимодействия магнитных полей статора и ротора создают вращающий момент в направлении вращения поля статора. Скорость, с которой вращается двигатель, зависит от его нагрузки. При холостом ходе скоростьстановится почти равной, так как приЭДС и токи в роторе равны нулю и электромагнитное взаимодействие исчезает. Таким образом, асинхронная машина работает в режиме двигателя в преде­лах отдо, т.е. при скольжении отдо. При этом электрическая энергия, подводимая к статору из сети, преобразовывается в ме­ханическую энергию на валу.

Работа в режиме генератора. Предположим, что подключенный к сети статор создает вращающееся магнитное поле, а ротор приводится во вращение в том же направлении со скоростью . В этом случае скольжение будет отрицательным, а ЭДС и токи ротора изменяют направление по сравнению с78ра­ботой в режиме двигателя. Момент на валу становится тормозящим по отноше­нию к вращающему моменту первичного двигателя. Асинхронная машина78ра­ботает генератором. Механическая энергия, подведенная к валу, преобразовы­вается в электрическую энергию и отдается в сеть. Таким образом, асинхронная машина может работать в режиме генера­тора параллельно с сетью в пределах отдо, т.е. при скольжении отдо.

Работа в режиме электромагнитного тормоза.

Допустим, что ротор приводится во вращение против направления вращения магнитного потока статора. В этом случае к асинхронной машине подводится энергия с двух сторон – электрическая из сети и механическая от первичного двигателя. Такой режим работы называется режимом электромагнитного тормоза. Он возникает при скольжении от до. Примером практического применения режима электромагнитного тор­моза является опускание груза в подъемно-транспортных устройствах.

Слайд 10

Механическая характеристика

Механической характеристикой двигателя называется зависимость частоты вращения ротора от момента на валу . Механическую характеристику можно представить как гра­фическую зависимость в координатахи. N1 – синхронная частота вращения, nн – номинальная частота вращения, nк – критическая частота вращения, Mп – пусковой момент двигателя, Мн – номинальный момент двигателя, Мк – критический момент двигателя.

Слайд 11

Пуск и регулирование скорости асинхронного двигателя

Способы пуска

Прямой пуск

Кратность пускового тока .

Пусковой момент

.

Анализ показывает, что при прямом пуске возникают большой бро­сок тока и относительно небольшой пусковой момент. Это оказывает отри­цательное влияние на возможность пуска самого электродвигателя и на ус­тойчивость работы других электродвигателей из-за снижения напряжения.

Пуск переключением обмотки статора применяется для двигателей, рабо­тающих при соединении обмоток статора в треугольник. При пуске об­мотка статора с помощью переключателя соединяется в звезду. В результате линейный пусковой ток уменьшается примерно в три раза, пусковой момент также уменьшается в три раза. Если пусковой момент достаточен для разгона электропривода, то такой пуск допустим. После пуска обмотку статора пере­ключают на схему треугольника, и двигатель работает в нормальном режиме.

При автотрансформаторном пуске обмотка статора включается на пони­женное напряжение с помощью автотрансформатора. Двигатель разгоняется при пусковом токе и моменте в раз меньше по сравнению с прямым пуском, где– коэффициент трансформации понижающего автотрансформатора. В конце разгона двигатель переключается на напряжение сети.

Слайд 12

Пуск двигателя с фазным ротором осуществляется путем включения пуско­вого реостата в цепь ротора через контактные кольца и щетки. Сопро­тивление пускового резисторав фазе выбирают таким, чтобы пусковой мо­мент был максимальным.

Пуск двигателя поясняется схемой на рисунке. В момент пуска двига­тель развивает максимальный момент и разгон происходит на участке механической ха­рактеристики 1.

В момент, соответствующий точке , выключается первая ступень рези­стора и момент скачком увеличивается до точкимеханической характеристики 2; при разгоне до точкивыключается вторая сту­пень резистора и рабочая точка скачком пере­ходит в точкуестественной механической характеристики 3. Установившийся режим на­ступает в точкесоответствующей равен­ству моментов двигателя и нагрузки. Резистор закорачивается и щетки отводятся от колец.

Такой способ пуска применяют, как правило, для двигателей большой мощ­ности при ограниченном пусковом токе и высоких требованиях к приводу. Недостатками способа являются значительные потери электрической энергии в пусковом резисторе и сложность устройства ротора.

Слайд 13

Частота вращения асинхронного двигателя

.

Из этого равенства следует, что изменять частоту вращения можно изменением частоты числа пар полюсови скольжения.

Регулирование изменением частоты тока статора (частотное регулирова­ние) требует применения источников питания с регулируемой часто­той. В качестве такого источника может быть использован синхронный генератор с переменной скоро­стью вращения или полупроводниковый преобразователь частоты. В этом случае частота вращения и частота враще­ния ротора изменяются пропорцио­нально частоте сети. К недостаткам частотного регулирования относятся громоздкость и высо­кая стоимость питающей установки.

Для регулирования частоты вращения изменением числа пар полюсов применяют двигате­ли с короткозамкнутым ротором, у которых на статоре нескольких обмоток, размещенных в общих пазах и разное число пар полюсов или обмотки, которые позволяют получить различные числа пар полюсов путем из­менения (переключения) их схемы соединения (с последовательного соединения на параллельное и наоборот). При последовательном соединении число пар полюсов увеличивается, при параллельном – уменьшается.

Регулирование изменением числа пар полюсов является ступенчатым и применяется для уменьшения числа ступеней в ко­робках скоростей, вентиляторах, насосах и др.

Двигатели с изменяемым числом пар полюсов называют многоскорост­ными.

Масса и стоимость многоскоростных двигателей больше, чем односкоро­стных двигателей. Но их часто применяют в установках дискретного изменения частоты вращения.

Регулирование скорости уменьшением напря­жения на статоре. При уменьшении напряжения момент двигателя изменяется пропорционально, что изменяет его механические характеристики, сле­довательно, и скольжение. Пределы регулирования скорости соответст­вуют изменению скольжения в интервале.

Слайд 14

Синхронные машины

Общие сведения

Синхронными машинами называют электрические машины перемен­ного тока, у которых частота вращения ротора находится в строго постоянном соотношении с частотой тока электрической сети.

Трехфазные синхронные генераторы являются основными источниками электрической энергии. Первичными двигателями для них являются паровые или гидравлические турбины. По этому признаку генераторы называют турбо­генераторами и гидрогенераторами. На автономных электростанциях синхрон­ные генераторы имеют небольшую мощность и приводятся во вращение ди­зельными двигателями, газовыми турбинами или от ветроколеса.

К преимуществам синхронных генераторов следует отнести:

– способность вырабатывать как активную, так и реактивную мощность (с возможностью ее регулирования);

– возможность регулирования выходного напряжения;

– возможность работы как с сетью, так и в автономном режимах без при­менения каких-либо сложных дополнительных устройств;

– высокий КПД.

Синхронные двигатели имеют постоянную частоту вращения и поэтому применяются там, где не требуется регулирование частоты или она должна быть постоянной. Мощность синхронных двигателей составляет десятки, сотни и тысячи киловатт на крупных металлургических заводах, в шахтах и других предприятиях. Имеются также синхронные микродвигатели мощностью от до­лей ватта до десятков ватт, используемых в схемах автоматики. Синхронная машина, работающая в режиме генератора или двигателя, может служить ис­точником реактивной мощности. Специально предназначенный для этих целей ненагруженный активной мощностью двигатель называется синхронным ком­пенсатором.

Слайд 15

Устройство синхронной машины

Синхронная машина состоит из двух основных частей: неподвижного ста­тора, выполняющего функции якоря, и вращающегося ротора, служащего индуктором.

Статор, так же как у асинхронный машины, представляет собой полый ци­линдр, набранный из листов электротехнической стали со штампованными на внутренней поверхности пазами, в которые укладывается трехфазная обмотка.

Ротор представляет собой электромагнит, обмотка которого питается постоян­ным током через два изолированных контактных кольца, вращающихся вместе с ротором. Постоянный ток подводится к ротору через неподвижные щетки, скользящие по контактным кольцам.

Конструктивно различают два типа роторов: явнополюсный (левый) и неявнополюсный (правый).

Явнополюсный ротор, имеющий выступающие по­люсы, применяют у машин с частотой вращения до 1000, 1500 об/мин. Неявнополюсный ротор, имеющий вид цилиндра, приме­няют при скоростях 1500 и 3000 об/мин.

Зависимость электромагнитного момента от угла рассогласования между осевыми линиями полюсов статора и ротора синхронной машины называется угловой характеристикой.

Угловая характеристика имеет вид синусоиды.

При M>0 направления действия электромагнитного момента и ротора – совпадают, машина работает в качестве двигателя.

При М<0 эти направления противоположны – машина работает в качестве генератора.